吸雜技術(shù)在TOPCon電池中的應(yīng)用

摘 要：硅基體的質(zhì)量是限制光伏效率提升的關(guān)鍵因素。隨著光伏電池效率提升，硅基體中的雜質(zhì)含量越來越高。本文比較磷擴(kuò)散、硼擴(kuò)散和氧化層/多晶硅鈍化結(jié)構(gòu)的不同吸雜方法與不同表面濃度的摻雜N+ Poly的吸雜方法，結(jié)果表明，在表面濃度為5×1020 cm-3、Poly厚度為90 nm的條件下，N+ Poly 的TOPCon吸雜效果最佳，將其引入TOPCon小批量生產(chǎn)線，電池效率提升0.1%。

關(guān)鍵詞：磷擴(kuò)散；蹦擴(kuò)散；TOPCon技術(shù)；多晶硅；光伏

中圖分類號(hào)：TN 304 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

由于全球能源短缺，因此太陽能作為一種可再生能源，得到了快速發(fā)展。2017 年，遂穿氧化層和高摻雜多晶硅表面鈍化能力和載流子選擇性出色，TOPCon 技術(shù)得到廣泛應(yīng)用[1]。TOPCon電池技術(shù)具有高溫?cái)U(kuò)散和高鈍化的優(yōu)點(diǎn)，是替代PERC電池技術(shù)的最佳方法[2]。制造成本導(dǎo)致太陽能級(jí)硅片的雜質(zhì)含量高于微電子級(jí)硅片，在光伏制造過程中，金屬雜質(zhì)易在硅片中形成其他復(fù)合中心，增大電流密度，導(dǎo)致少子壽命縮短[3]。利用現(xiàn)有的設(shè)備和技術(shù)研究吸雜技術(shù)十分重要。

本研究比較了摻雜類型（磷（P）或硼（B））不同、摻雜技術(shù)（擴(kuò)散或遂穿氧化層）不同以及摻雜濃度不同的多晶硅薄膜對(duì)硅片鈍化和少子壽命的影響。吸雜前后的硅片，經(jīng)制絨，硼擴(kuò)散，去硅硼玻璃（BSG），堿拋，低壓化學(xué)氣象沉積（LPCVD），去磷硅玻璃（PSG），去繞度，原子層外延沉積（ALD），等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相淀積（PECVD）金屬化，測(cè)試等TOPCon電池工序，分析其對(duì)TOPCon電池效率的影響。

1 試驗(yàn)部分

本試驗(yàn)采用N型C-Si，電阻率為0.9，厚度為170 μm，G1尺寸為158 mm×

158 mm。

1.1 不同類型的吸雜技術(shù)

試驗(yàn)一具體過程如圖1所示。使用電阻率為0.9 Ω/sq，厚度為170 μm，尺寸為158 mm×158 mm的工業(yè)級(jí)N型硅片，均分為G1、G2、G3、G4和G5 5組，同時(shí)所有硅片組都經(jīng)過RCA（雙氧水和氨水）清洗及制絨工序，G1組不經(jīng)過任何工序處理，G2組硅片采用TOPCon技術(shù)中的磷擴(kuò)散工藝進(jìn)行處理；G3組硅片采用TOPCon技術(shù)的硼擴(kuò)散工藝處理；G4組硅片采用TOPCon技術(shù)，先通過LPCVD沉積了厚度為1 nm～2 nm的氧化硅和厚度為 90 nm的Poly-Si，然后再進(jìn)行磷擴(kuò)散處理；G5組硅片在TOPCon技術(shù)中也通過LPCVD沉積了厚度為

1 nm～2 nm的氧化硅、厚度為90 nm的Poly-Si ，再進(jìn)行硼擴(kuò)散處理。同時(shí)將5組試驗(yàn)放入5 wt% 的氫氟酸（HF）溶液中洗掉其表面的氧化層，并經(jīng)過TOPCon技術(shù)中的堿拋工序，PECVD鍍70 nm的SiNx鈍化膜，經(jīng)820 ℃快燒后，使用Sinton WCT-120少子壽命測(cè)試儀測(cè)量樣品的少數(shù)載流子壽命以及隱含開路電壓值，對(duì)每個(gè)硅片的中心以及4個(gè)角的位置進(jìn)行測(cè)試，并統(tǒng)計(jì)其平均值作為測(cè)試結(jié)果。試驗(yàn)一中有5組試驗(yàn)的少數(shù)載流子壽命和隱含開路電壓數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果見表1。

由表1可知，與G1組相比，經(jīng)過磷擴(kuò)散的G2組的i-Voc提升了1 mV，少子壽命也有少量延長(zhǎng)，在早期文獻(xiàn)中，具有吸雜作用的磷擴(kuò)散運(yùn)用于太陽能電池[4-5]。與G2組相比， G1 組的 i-Voc 降低了 9 mV，高溫硼擴(kuò)散導(dǎo)致硅片中的晶粒發(fā)生變化，產(chǎn)生錯(cuò)位，使表面的金屬雜質(zhì)更易進(jìn)入硅片內(nèi)部，引起更多的復(fù)合中心，導(dǎo)致硅片的少子壽命縮短，隱含開路電壓降低。與 G1相比，G4 的i-Voc 降低了約 70 mV，在溫度較高的情況下，多晶硅對(duì)硼原子固溶度較高，固溶度增加導(dǎo)致產(chǎn)生富硼層，富硼層對(duì)堿液容忍度較高，導(dǎo)致硅片表面的金屬雜質(zhì)無法腐蝕。富硼層會(huì)導(dǎo)致硅片少子壽命縮短，隱含開路電壓降低[6]。與G1相比，G5的i-Voc提升4 mV，薄氧化層以及多晶硅對(duì)硅片中的金屬離子固溶度較高，可吸收硅片中的雜質(zhì)離子，在較低溫度中，氧化層可阻止多晶硅中的金屬離子向硅基體中轉(zhuǎn)移，多晶硅以及氧化層被腐蝕后，可觀察少子壽命以及隱含開壓有提升。

1.2 不同摻雜濃度的LPCVD磷摻雜多晶硅吸雜技術(shù)

試驗(yàn)二樣品制備過程如圖2所示，使用電阻率為0.9 Ω/sq、

厚度為170 μm、大小為158 mm×158 mm的工業(yè)級(jí)N型硅片，均分為G6、G7和G8 3組，經(jīng)過RCA（雙氧化水和氨水）清洗和制絨工序，LPCVD沉積1 nm～2 nm的氧化硅和90 nm的poly-Si，G6組經(jīng)過820 ℃磷擴(kuò)散工序，其表面濃度為1×1020 cm-3；G7組經(jīng)過850 ℃磷擴(kuò)散工序，其表面濃度為3×1020 cm-3；G8組經(jīng)過850 ℃磷擴(kuò)散工序，其表面濃度為5×1020 cm-3；同時(shí)將3組硅片放入5 wt%的HF溶液中洗掉表面的氧化層，經(jīng)過TOPCon技術(shù)中的堿拋工序，PECVD鍍70 nm的SiNx鈍化膜，經(jīng)820 ℃快燒后，使用Sinton WCT-120測(cè)量樣品的少數(shù)載流子壽命以及隱含開路電壓值，測(cè)試每個(gè)硅片的中心以及4個(gè)角的位置，統(tǒng)計(jì)其平均值作為測(cè)試結(jié)果。試驗(yàn)二中有5組試驗(yàn)的少數(shù)載流子壽命和隱含開路電壓數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果見表2。

ECV 測(cè)試如圖3所示，在不同擴(kuò)散溫度下，得到表面P+濃度依次為1.2×1020 cm-3，3.1×1020 cm-3，5.3×1020 cm-3，在Poly-Si均保持同的濃度，在Poly-Si/SiOx界面濃度驟降，最終測(cè)試濃度變?yōu)楣杌?×1017 cm-3。隨著摻雜濃度增加，Poly-Si中活性磷濃度逐漸變多[2]，P原子的費(fèi)米能級(jí)與金屬原子相匹配，P原子可結(jié)合更多金屬原子，磷原子可結(jié)合硅基底中更多的間隙氧。在高溫?cái)U(kuò)散過程中，金屬原子的擴(kuò)散速率加快，Poly-Si/SiOx界面導(dǎo)致金屬原子以及氧原子較多集聚在Poly-Si中，較難回歸至硅基底中，堿拋光后，去除有污染的Poly-Si，經(jīng)SiNx鈍化膜鈍化后，硅片iVoc增加，少子壽命延長(zhǎng)。采用更高溫度進(jìn)行磷擴(kuò)散工序，對(duì)樣品壽命無較大影響。

1.3 遂穿氧化層厚度對(duì)吸雜效果的影響

使用電阻率為0.9 Ω/sq，厚度為170 μm，大小為158mm×158 mm的工業(yè)級(jí)N型硅片，分為G9、G10和G11 3組，使用RCA（雙氧水和氨水）清洗，制絨工序，調(diào)節(jié)在LPCVD工序中的氧化時(shí)間，G9組硅片的氧化層厚度為1 nm～2 nm，G10組硅片的氧化層厚度為2 nm～3 nm，G11組硅片的氧化層厚度為3 nm～4 nm，共同硅烷熱分解生成不定形多晶硅90 nm，經(jīng)過850 ℃下的磷擴(kuò)散，使其表面濃度達(dá)5×1020 cm-3；同時(shí)將3組試驗(yàn)放入5 wt% 的HF溶液中，洗掉其表面的氧化層，經(jīng)過TOPCon技術(shù)中的堿拋工序，PECVD鍍70 nm的SiNx鈍化膜，經(jīng)820 ℃快燒后，使用Sinton WCT-120測(cè)量樣品的少數(shù)載流子壽命以及隱含開路電壓值，測(cè)試每個(gè)硅片的中心以及4個(gè)角，統(tǒng)計(jì)其平均值作為測(cè)試結(jié)果。試驗(yàn)三中有5組試驗(yàn)的少數(shù)載流子壽命和隱含開路電壓數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3得到1 nm～2 nm氧化層厚度的iVoc為716 mV，與試驗(yàn)二中G8組iVoc為716 mV相等，充分證明試驗(yàn)工藝的穩(wěn)定性與可重復(fù)性。當(dāng)氧化層厚度為2 nm～3 nm時(shí)，試驗(yàn)組的少子壽命增至 517 μs，iVoc為 720 mV。將氧化層厚度增至3 nm～4 nm，G11組的少子壽命發(fā)生突降，變?yōu)?05 μs，iVoc為710 mV。SiOx的厚度可以影響硅基底中金屬離子的遷移速率以及濃度，當(dāng)SiOx厚度較小（1 nm～

2 nm）時(shí)，氧化層對(duì)金屬離子擴(kuò)散至多晶硅層的阻礙作用較小，在高溫環(huán)境中，多晶硅層中的金屬離子會(huì)擴(kuò)散至硅基底中，取得動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)增加SiOx的厚度（2 nm～3 nm）時(shí)，氧化層加厚，多晶硅吸收硅基底中大部分金屬離子，導(dǎo)致硅基底中的少子壽命延長(zhǎng)，iVoc增加。當(dāng)繼續(xù)增加SiOx的厚度（3 nm～4 nm），金屬離子在SiOx的固溶度比在多晶硅中的固溶度高，因此較多的金屬離子存在于SiOx中，未被多晶硅吸收，將高溫后SiOx中的金屬離子重新分配至硅基底中，導(dǎo)致少子壽命減少，iVoc降低。

2 制造TOPCon電池

該吸雜技術(shù)均基于工業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)，考慮現(xiàn)有TOPCon電池生產(chǎn)技術(shù)已進(jìn)入瓶頸，實(shí)際效率距離晶硅理論效率還有差距，將2 nm～3 nm的SiOx和90 nm poly-Si的850 ℃磷擴(kuò)散吸雜工藝引入TOPCon生產(chǎn)線中。

TOPCon電池生產(chǎn)技術(shù)，電池正面依次為Ag電極、氮化硅、氧化鋁、P+發(fā)射極和硅基體；電池背面依次為Ag/Al電極、氮化硅、氧化鋁、摻磷多晶硅、遂穿氧化層和硅基體。目前，TOPCon電池技術(shù)分為2種路線，一種路線為采用PECVD[7]進(jìn)行原位摻雜，形成Poly-Si/SiOx界面，該路線優(yōu)點(diǎn)為生產(chǎn)工序少，電池開壓較高，缺點(diǎn)為電池良品率較低，碎片率較高。另一種路線為L(zhǎng)PCVD生成Poly-Si，高溫?cái)U(kuò)散生成N+多晶硅，該路線良品率較高，兼容PERC生產(chǎn)線，但是工序較多。本文采用LPCVD路線生產(chǎn)TOPCon電池，工序依次為制絨、硼擴(kuò)散、鏈?zhǔn)角逑春蛪A拋光，LPCVD和磷擴(kuò)散，鏈?zhǔn)角逑春腿ダ@鍍，ALD沉積氧化鋁，PECVD鍍SiNx，金屬化和分選測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果見表4，盡管電流降低10 mA，串聯(lián)電阻變大，但是硅片質(zhì)量提高，導(dǎo)致電池的開壓提升3 mV，吸雜后效率提升0.1%，進(jìn)一步證實(shí)吸雜工藝可以吸取更多的金屬離子。

3 結(jié)語

對(duì)比磷擴(kuò)散、硼擴(kuò)散、P+-Poly和N+-Poly的吸雜效果，N+-Poly試驗(yàn)效果良好。可改變磷擴(kuò)散溫度，調(diào)節(jié)N+-Poly的表面濃度，隨著濃度增加，吸雜效果越來越好，多晶硅對(duì)磷原子的固溶度導(dǎo)致濃度無法一直上升。將其引入TOPCon生產(chǎn)線中，吸雜后硅片電池開壓提升3 mV，電池效率提升0.1%。

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